O mais novo chip de computação quântica da IBM, revelado em 15 de novembro, estabeleceu uma espécie de marco: ele embala 127 bits quânticos (qubits), tornando-o o primeiro dispositivo a atingir 3 dígitos. Mas a conquista é apenas um passo em uma agenda agressiva impulsionada por bilhões de dólares em investimentos em todo o setor.
O chip ‘Eagle’ é um passo em direção à meta da IBM de criar um processador quântico de 433 qubits no próximo ano, seguido por outro com 1.121 qubits, chamado Condor, até 2023. Essas metas ecoam aquelas que por décadas a indústria eletrônica se propôs a miniaturizar chips de silício, diz Jerry Chow, chefe do grupo experimental de computação quântica da IBM no Thomas J. Watson Research Center em Yorktown Heights, Nova York.
Outras empresas – incluindo as gigantes da tecnologia Google e Honeywell, e uma série de empresas iniciantes bem financiadas – têm planos ambiciosos semelhantes. Em última análise, eles visam tornar os computadores quânticos capazes de realizar certas tarefas que estão fora do alcance até mesmo dos maiores supercomputadores que usam tecnologia clássica.
“É bom ter metas ambiciosas, mas o que importa é se eles podem executar seus planos”, diz o teórico da informação quântica John Preskill do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena.
Vantagem quântica
Ao explorar as leis da física quântica para processar informações binárias, os circuitos de computação quântica, como o chip Eagle, já podem fazer cálculos que não podem ser facilmente simulados em supercomputadores clássicos. O Google notoriamente relatou ter alcançado essa “vantagem quântica” em 2019, usando qubits feitos, como os da IBM, com loops supercondutores. Uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) em Hefei no ano passado relatou ter alcançado vantagem quântica usando qubits ópticos; este ano, fez o mesmo com qubits supercondutores.
Mas as tarefas atribuídas a essas máquinas eram artificiais, alertam os pesquisadores. “O estado da arte atual é que nenhum experimento demonstrou vantagem quântica para tarefas práticas ainda”, diz o físico Chao-Yang Lu, que co-liderou o esforço do USTC. Resolver problemas do mundo real, como simular moléculas de drogas ou materiais usando a química quântica, exigirá que os computadores quânticos se tornem drasticamente maiores e mais poderosos.
O engenheiro quântico Andrew Dzurak, da University of New South Wales em Sydney, Austrália, acredita que com chips de 1.000 qubit como o planejado Condor da IBM, a tecnologia pode começar a provar seu valor. ?Espera-se que alguns problemas úteis e até mesmo comercialmente valiosos possam ser resolvidos usando computadores quânticos nesta faixa de mil a milhões de qubit?, diz ele. ?Mas para fazer realmente mudanças de paradigma, você vai precisar de milhões de qubits físicos.?
Desafios de chip
O chip Eagle tem quase duas vezes mais qubits do que o circuito quântico carro-chefe da IBM, o Hummingbird de 65 qubit. O aumento exigiu que a equipe resolvesse vários problemas de engenharia, diz Chow. Para permitir que cada qubit interaja com vários outros, os pesquisadores optaram por um arranjo em que cada um está ligado a dois ou três vizinhos em uma grade hexagonal. E para permitir o controle individual de cada qubit sem um emaranhado incontrolável de fios, a equipe colocou os fios e outros componentes em várias camadas empilhadas. Chow diz que para resolver este problema de “empacotamento”, os pesquisadores recorreram à experiência com arquiteturas 3D em chips convencionais. Ele acrescenta que também era crucial encontrar materiais que funcionassem bem nas temperaturas ultrabaixas necessárias para o funcionamento dos qubits supercondutores.
Mas o poder de processamento de um circuito quântico não é apenas sobre quantos qubits ele tem. Também depende de quão rápido eles operam e de quão resistentes são a erros que podem embaralhar um cálculo, devido, por exemplo, a flutuações aleatórias. Chow diz que ainda há espaço para melhorias em todos esses aspectos para qubits supercondutores.
Lidar com erros é particularmente difícil, porque as leis da física evitam que os computadores quânticos usem os métodos de correção de erros das máquinas clássicas, que normalmente requerem a manutenção de várias cópias de cada bit.
Em vez disso, os pesquisadores visam construir “qubits lógicos” – em que quase todos os erros podem ser identificados e corrigidos – a partir de arranjos complicados de muitos qubits físicos. Os procedimentos até agora propostos normalmente exigem que cada qubit lógico contenha cerca de 1.000 qubits físicos, embora essa proporção dependa da fidelidade intrínseca – a resistência ao erro – dos qubits físicos, diz Dzurak.
Correção de erros
Algumas outras abordagens para construir computadores quânticos esperam se beneficiar de qubits com taxas de erro intrínseco mais baixas. Essa é uma vantagem potencial de usar íons presos como os qubits, como é feito pela empresa IonQ, resultado de uma pesquisa na Universidade de Maryland em College Park, que no mês passado arrecadou mais de US $ 600 milhões quando se tornou o primeiro puramente quântico empresa de computação para negociar publicamente na Bolsa de Valores de Nova York – um negócio que avaliou a empresa em quase US $ 2 bilhões. A Rigetti Computing, uma start-up em Berkeley, Califórnia, também abriu o capital neste ano, com uma avaliação de US $ 1,5 bilhão.
O cofundador do IonQ, Christopher Monroe, um físico da Universidade de Maryland, e seus colegas de trabalho relataram no mês passado um qubit lógico tolerante a falhas feito de apenas 13 qubits de íons presos, embora Dzurak diga que seu grau de correção de erro foi “ainda está muito longe do que é necessário para um computador quântico útil, que precisa de taxas de erro lógico bem abaixo de um em um milhão”.
A equipe do Google, por sua vez, atingiu taxas de erro lógico semelhantes usando 21 qubits supercondutores: novamente, “um resultado importante”, diz Dzurak, mas ainda longe do que é necessário para solucionar o problema de correção de erros.
Mas Chow adverte contra colocar muita ênfase na obtenção de qubits lógicos. “Não teremos uma situação em que ligamos um botão e dissemos? a correção de erros está ativada'”, diz ele. “Melhorar o desempenho do qubit é uma história mais importante do que criar qubits lógicos e dividir tudo por 1.000.”
Aumento de sinal
A IBM e outros estão tentando obter uma compreensão detalhada do ruído relacionado ao erro em um circuito e, em seguida, extraí-lo – como o cancelamento de ruído para melhorar a relação sinal-ruído na acústica.
Além dos dispositivos de nível Condor, diz Chow, os projetos de circuito provavelmente se tornarão modulares, com vários chips ligados por meio de “interconexões quânticas”. Ainda não está claro qual a melhor forma de fazer isso – talvez com os sinais de frequência de micro-ondas usados atualmente para entrada e saída de dados para qubits supercondutores, ou talvez convertendo as informações quânticas em sinais baseados em luz. “É uma área de pesquisa inteiramente nova”, diz Chow.
Muitos pesquisadores acreditam que as primeiras aplicações de computadores quânticos no mundo real provavelmente ocorrerão em campos relativamente especializados, como simulação de moléculas e materiais, aprendizado de máquina e problemas de otimização em indústrias, incluindo finanças. Para chegar a esse estágio, “espero que veremos uma melhora gradual no desempenho, em vez de um salto repentino para a frente”, diz Preskill. “É provável que seja um longo trabalho antes de podermos executar aplicativos úteis.”
Publicado em 23/11/2021 23h31
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